علوم پایه مقالات

نگاهی به “فناوری هسته‌ای” به بهانه روز ملی فناوری هسته ای

روز ملی فناوری هسته ای - انرژی هسته ای
نوشته شده توسط سید محمد حسین خلیلی

بییستم فروردین‌ماه روز ملی فناوری هسته‌ای نام‌گذاری شده است. این روز به مناسبت ۲۰ فروردین ۱۳۸۶ و اعلام دستاوردهای هسته‌ای قابل‌توجه در آن روز نام‌گذاری شده است.
امروزه تأمین، مصرف روز افزون انرژی در سطح جهان یکی از چالش‌های اساسی است. نیاز به روش‌های پاک و مؤثر برای پاسخ به این نیاز باعث شده است، کشورهای مختلف سال‌ها بر استفاده از انرژی هسته‌ای به عنوان یکی از راه‌حل‌های این مسئله تمرکز کنند.
اولین نیروگاه هسته‌ای که به صورت تجاری برق تولید می‌کرد در سال‌های دهه ۶۰ میلادی (۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰) راه‌اندازی شد.
حدود ۴۴۰ نیروگاه هسته‌ای تجاری تا امروز در ۳۱ کشور به صورت عملیاتی فعال هستند. این نیروگاه‌ها در مجموع ظرفیتی برابر ۳۸۰ هزار مگاوات دارند. حدود ۶۵ راکتور دیگر نیز در دست‌ساخت هستند. این تعداد نیروگاه هسته‌ای ۱۱ درصد از انرژی الکتریکی جهان را به صورت مداوم و بدون تولید دی‌اکسید کربن تأمین می‌کنند.
در کنار این نیروگاه‌های هسته‌ای؛ ۵۶ کشور در مجموع حدود ۲۴۰ راکتور تحقیقاتی را مدیریت می‌کنند و علاوه بر آن ۱۴۰ راکتور برای تأمین نیروی کشتی‌ها و زیردریایی‌ها عملیاتی است.

انرژی هسته‌ای از کجا آمده است؟

فناوری هسته‌ای از شکافت اتم‌های عناصر خاص انرژی تولید می‌کند. این دانش در سال‌های ۱۹۴۰ و در طول جنگ جهانی دوم به واسطه تلاش‌هایی برای ساخت بمب پیشرفت کرد؛ اما در سال‌های دهه ۱۹۵۰ میلادی توجه‌ها به سمت اهداف صلح‌آمیز دانش هسته‌ای متمایل شد. امروزه مقدار قابل‌توجهی از برق مصرفی جهان از انرژی هسته‌ای تولید می‌شد.
امروزه تنها ۸ کشور شناخته‌شده توانایی استفاده نظامی از دانش هسته‌ای را دارند؛ در مقابل ۵۶ کشور، ۲۴۰ راکتور تحقیقاتی و ۴۴۰ راکتور تولید برق را مدیریت می‌کنند.

فناوری هسته‌ای در ایران

در سال ۱۹۵۷ یک برنامه غیر نظامی هسته‌ای، به عنوان بخشی از برنامه US Atoms for Peace در ایران آغاز شد.
Atoms for Peace عنوان سخنرانی بود که رئیس جمهور ایالات متحده در سال ۱۹۵۳ در سازمان ملل ایراد کرد و در آن به عزم این کشور برای توسعه مقاصد صلح‌آمیز این دانش در سطح جهان اشاره کرد.
اولین قدم جدی در زمینهه استفاده از علوم و فناوری هسته‌ای در ایران در سال ۱۳۳۵ برداشته شد. در ۱۴ اسفند ۱۳۳۵ موافقت‌نامهٔ همکاری بین دولت ایالات متحده آمریکا و دولت ایران راجع به استفاده‌های غیرنظامی از انرژی اتمی امضاء گردید.
از ۱۳۵۳ تا ۱۳۵۷، قرارداد ساخت هشت نیروگاه اتمی بین سازمان انرژی اتمی و پیمانکاران خارجی به امضاء رسید.
نیروگاه اتمی بوشهر (دو واحد): قرارداد ساخت این دو واحد هر یک با قدرت ۱۳۰۰ مگاوات با شرکت آلمانی KWU منعقد گردید. از زمان انعقاد تا هنگام تعلیق قرارداد توسط آلمان‌ها در ۱۳۵۸، کارهای ساختمانی واحد یک این نیروگاه حدود ۸۰ درصد و کارهای برقی و مکانیکی آن نیز حدود ۶۰ درصد انجام‌شده بود.
نیروگاه اتمی کارون (دو واحد): مذاکرات ساخت این دو واحد هر یک با قدرت ۹۵۰ مگاوات با شرکت فرانسوی فراماتوم انجام‌شده بود و مقاوله نامه‌های این واحدها با شرکت مذکور به امضاء رسید. مکان نیروگاه در نزدیکی دارخوین تعیین‌شده بود، اما به سرانجام نرسید.
نیروگاه اتمی اصفهان (دو واحد): موافقت‌نامهٔ ساخت این دو واحد نیروگاهی هر یک با قدرت ۱۲۹۰ مگاوات با شرکت آلمانی KWU به امضاء رسید، اما به سرانجام نرسید.
نیروگاه اتمی ساوه (دو واحد): موافقت‌نامهٔ ساخت این دو واحد نیروگاهی هر یک با قدرت ۱۲۹۰ مگاوات با شرکت آلمانی KWU به امضاء رسید، اما به سرانجام نرسید.
بعد از انقلاب اسلامی روند ساخت متوقف شد و این تأسیسات در طول جنگ تحمیلی مورد حمله ارتش عراق قرار گرفتند؛ اما بعد از آن روند ساخت و بهره‌برداری از نیروگاه بوشهر در دستور کار قرار گرفت. هر چند که در طول این سال‌ها ساخت نیروگاه بوشهر با فراز و نشیب‌های بسیاری همراه بود؛ اما در نهایت پس از سال‌ها این نیروگاه راه‌اندازی شد و در سال ۲۰۱۱ (۱۳۹۰ شمسی) شروع به تولید برق کرد.
در این بین ساخت تأسیسات غنی‌سازی و تکمیل چرخه تولید سوخت در کشور پیگری شدند. همچنین تأسیس مراکز پزشکی هسته‌ای و تحقیقات کشاورزی، ساخت راکتور تحقیقاتی مینیاتوری، ساخت شتاب‌دهنده‌ها و بسیاری دیگر از موارد مرتبط به فناوری هسته‌ای دنبال شد.
هر ساله در روز فناوری هسته‌ای دستاوردهای جدید در این حوزه معرفی می‌شوند؛ و بازتاب گسترده‌ای در رسانه‌ها خواهد داشت. در ادامه تلاش کردیم که به توضیح برخی سؤالات ساده اما مورد توجه درباره فناوری هسته‌ای در ایران پاسخ دهیم.

چرا انرژی هسته‌ای مهم است؟

انرژی یک مسئله استراتژیک محسوب می‌شود، بخصوص برای کشورهای مستقل مانند کشور عزیزمان ایران، تأمین پایدار انرژی بسیار مهم است. انرژی هسته‌ای علاوه بر آنکه تولید دی‌اکسید کربن را ندارد. پایدار و قابل اعتماد است. شما در یک نیروگاه برق‌آبی نمی‌توانید به صورت پیوسته و با توان مشخص برق تولید کنید. تولید برق در یک سد به عوامل مختلفی بستگی دارد.
ایران ۲۷۰ تراوات ساعت برق در سال ۲۰۱۳ تولید کرده است؛ که ۱۷۸ تراوات ساعت آن از گاز، ۷۱ تراوات ساعت از نفت، ۱۵ تراوات ساعت از نیروگاه‌های برق‌آبی و ۵.۴ تراوات از انرژی هسته‌ای به دست آمده است. رشد مصرف در هر سال حدود ۴ درصد برآورد می‌شود و ایران مازاد تولید انرژی خود را به کشورهای افغانستان، ارمنستان، آذربایجان، عراق، پاکستان، سوریه، ترکمنستان و ترکیه صادر می‌کند. در این بین عراق و ترکیه ۹۰ درصد از این صادرات را به خود اختصاص داده‌اند.
چیزی نزدیک به ۷ میلیون بشکه نفت در روز در ایران تولید می‌شود که حداکثر ۲ میلیون بشکه در چند سال اخیر صادر می‌شده و باقی آن یعنی چیزی حدود ۵ میلیون بشکه در داخل مصرف می‌شده. در رابطه با تولید گاز نیز همینطور مقدار زیادی از گاز تولیدی در کشور برا مقاصد تأمین انرژی مصرف می‌شود. در صورت توسعه انرژی هسته‌ای نیاز به استفاده از این مقدار سوخت فسیلی در تولید برق نیست. این مسئله می‌تواند به افزایش اقتدار کشور منجر شود.
توسعه دانش هسته و دستیابی به تکنولوژی آن در کنار تولید انرژی باعث گسترش فناوری‌های پایه‌ای می‌شود که در زمینه‌های مختلف علمی و صنعتی کاربرد بسیاری دارد.

راکتور تحقیقاتی چیست؟

در بسیاری از کشورها، راکتورهای تحقیقاتی ساخته‌شده است؛ که یک منبع تولید پرتوهای نوترون برای تحقیقات علمی و تولید ایزوتوپ‌های پزشکی و صنعتی است. پرتوهای نوترون بسیار مناسب برای بررسی ساختار و حالات مواد در سطح اتمی‌است. از پراکندگی نوترون برای آزمایش نمونه تحت شرایط مختلف استفاده می‌شود. این دسته از راکتورها معمولاً با سوخت‌های هسته‌ای با غنای بالا کار می‌کنند. راکتور تحقیقاتی تهران در ابتدای ساخت با سوخت ۹۰ درصد کار می‌کرد؛ اما بعد از قطع روابط ایران و آمریکا این راکتور بعد از باز طراحی با سوخت ۲۰ درصد کار می‌کند.
در حال حاضر راکتور تهران نقش مهمی در تأمین رادیو داروهای مورد نیاز مراکز درمانی کشور دارد؛ اما با توجه به نیاز کشور نمی‌تواند به تنهایی این نیاز را پاسخگو باشد.

آب‌سنگین یا سبک؟

نام آب‌سنگین را زیاد شنیده‌ایم، اما آب‌سنگین به چه معناست؟ و راکتورهای آب‌سنگین و آب سبک چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟
آب معمولی شامل دو هیدروژن و یک اکسیژن است و آن را با فرمول معروف H2O می‌شناسیم؛ اما هیدروژن ایزوتوپ‌های دیگری نیز دارد. دوتریوم یک ایزوتوپ طبیعی هیدروژن است. تفاوت آن با هیدروژن معمولی داشتن یک نوترون است.

Print

دوتریوم به خاطر داشتن یک نوترون از هیدروژن سنگین‌تر است. عدد جرمی هیدروژن معمولی ۱ است در حالی که عدد جرمی هیدروژن سنگین ۲ است به همین دلیل به مولکول آبی که بجای هیدروژن، ایزوتوپ آن دوتریوم در کنار اکسیژن قرار داشته باشد، آب‌سنگین می‌گویند.
گفتیم که دوتریوم به صورت طبیعی وجود دارد، پس آب‌سنگین نیز به صورت طبیعی وجود دارد؛ اما آن‌ها کجا هستند؟
مولکول‌های آب‌سنگین همراه با آب سبک هستند و همه جا وجود دارند و تنها فراوانی آن‌ها کمتر است؛ به ازای هر ۷ هزار مولکول آب معمولی یک مولکول آب‌سنگین وجود دارد. می‌توان به کمک فرایندهای خاصی موکول‌های آب‌سنگین را از آب معمولی جدا کرد.
در راکتورها از آب به عنوان خنک‌کننده و کند کننده نوترون استفاده می‌شد. آب‌سنگین ۸۰ بار در کند کردن و کنترل نوترون قوی‌تر از آب معمولی است. همچنین در راکتورهای آب‌سنگین بجای سوخت غنی‌شده از اورانیوم طبیعی استفاده می‌شود؛ و دیگر نیازی به مراحل غنی‌سازی نیست.
با افزایش طول عمر راکتور تحقیقاتی تهران و مستعمل شدن تجهیزات و سیستم‌های مختلف آن، همانند سایر راکتورهای مشابه در جهان، می‌بایست به فکر جایگزینی برای آن بود. از طرف دیگر، نیازمندی‌های روزافزون ایران به رادیو داروهای مختلف جهت مصارف تشخیص و درمان پزشکی و رادیو ایزوتوپ های گوناگون برای کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی و محدودیت‌های مختلفی که ایران حتی در ارتباط با تهیه و تأمین این قبیل رادیو ایزوتوپ ها از منابع خارج از کشور روبرو بوده است، سازمان انرژی اتمی را مصمم به احداث یک رآکتور تحقیقاتی جدید به منظور جایگزینی راکتور تهران نمود.
در اراک، تأسیسات تولید آب‌سنگین و همچنین یک راکتور تحقیقاتی آب‌سنگین معروف به Ir-40 وجود دارد. راکتور اراک توسط متخصصین داخلی به عنوان یک راکتور تحقیقاتی طراحی‌شده بود؛ اما طبق سند برجام این راکتور باید باز طراحی شود. کشورهای ۱+۵ معتقد بودند که پسماند این راکتور که شامل پولوتنیوم است؛ ممکن است برای مصارف نظامی مورد استفاده قرار گیرد. (هرچند که نظر کارشناسان داخلی متفاوت از آن بود.) به همین دلیل یکی از چالش‌های سال‌های اخیر در پرونده هسته‌ای موضوع تأسیسات آب‌سنگین اراک بوده است.

کیک زرد

کیک زرد نامی است که به اکسید اورانیوم غلیظ شده، گفته می شود. کیک زرد در فرایند تولید اورانیوم غنی‌شده تولید می‌شود. بعد از استخراج سنگ معدن اورانیوم و آسیاب کردن آن توسط دستگاه‌های مخصوص، از روش‌های شیمیایی برای جدا کردن اورانیوم از خاک و دیر مواد همراه استفاده می‌شد. یکی از این روش‌ها حل کردن پودر سنگ معدن استخراج‌شده در اسید سولفوریک است.
محصول نهایی که مقدار زیادی از آن را اکسید اورانیوم یعنی U3O8 تشکیل داده است به کیک زرد معروف است. کیک زرد نهایتاً به UO2 تبدیل خواهد شد تا از آن میله‌های سوخت ساخته شود.

در فردو چه خبر است؟

فردو نام روستایی در اطراف شهر قم است. این روستا به دلیل وجود تأسیسات هسته‌ای فُردو در آن امروزه نامی معروف در سطح جهانی است. این تأسیسات که به نام شهید مسعود علی‌محمدی نام‌گذاری شده، یک مرکز غنی‌سازی اورانیوم است که در دل کوه و عمق احتمالی ۹۰ متری ساخته‌شده است. تأسیسات فردو قادر به غنی‌سازی اورانیوم تا ۲۰ درصد بود.
به همین دلیل این مرکز بسیار مورد توجه جامعه بین‌المللی بوده است. تولید سوخت هسته‌ای با غنای ۲۰ درصد کار ساده‌ای نیست؛ اما رسیدن به توانایی تولید سوخت ۲۰ درصد به معنی توانایی برای غنی‌سازی بالاتر نیز است.
تولید سخت ۲۰ درصد نیاز ایران را به کشورهای دیگر برای تأمین سوخت راکتور تهران برطرف می‌کرد. همچنین ایران می‌توانست در بازار بین‌المللی سوخت ۲۰ درصد را به فروش برساند و سود خوبی از آن داشته باشد. همچنین ساخت کشتی‌ها و زیردریایی‌هایی با پیشران هسته‌ای نیاز به سوخت با غنای ۴۵ تا ۵۰ درصد دارد. دست‌یابی به فناوری تولید سوخت ۲۰ درصد راه رسیدن به این نقطه را نیز هموار می‌کرد.

سانتریفیوژ

سانتریفیوژ (Centrifugus) یا گریزانه (واژه معادل فارسی آن)، دستگاهی است که با استفاده از نیروی گریز از مرکز، مواد را از هم جدا می‌کند. دستگاه‌های سانتریفیوژ مواد را با سرعت بالا می‌چرخاند، در این حین نیروی گریز از مرکز بر هر ماده با توجه به جرمی که دارد اثر می‌گذارد و آن‌ها را از هم جدا می‌کند.
سانتریفیوژ ها کاربردهای زیادی در امور آزمایشگاهی دارند. سانتریفوژهایی که در صنعت هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند از نظر تکنولوژی انواع مختلفی دارند؛ اما در همه آن‌ها گاز هگزافلوراید اورانیوم (UF6) به کمک همان نیروی گریز از مرکز جداسازی می‌شود.

 

در انتها می توانید در کلیپ زیر به صورت کلی با انرژی هسته ای به زبان بسیار ساده آشنا شوید.

درباره نویسنده

سید محمد حسین خلیلی

دیدگاه شما چیست